矩阵式键盘的工作原理

矩阵键盘通过行列交叉扫描减少引脚使用，将按键排列成 M 行 × N 列的网格结构（如 4×4 仅需 8 个引脚控制 16 个键）。其核心原理是：

1. 行列结构

   • 每个按键位于行线（Row） 和列线（Column） 的交叉点
   • 按键按下时，对应的行线与列线导通

2. 扫描逻辑

   • 置行线为低电平：逐行驱动行线至低电平（0），其余行线保持高电平（1）
   • 读取列线状态：检测列线电平变化
   • 定位按键：当某列线检测到低电平，即锁定当前驱动的行和检测的列 → 确定按键位置

扫描程序编写步骤（以 4×4 键盘为例）

1. 初始化配置（以 Arduino 为例）

const int ROWS = 4;
const int COLS = 4;
char keys[ROWS][COLS] = {  // 按键映射表
  {'1','2','3','A'},
  {'4','5','6','B'},
  {'7','8','9','C'},
  {'*','0','#','D'}
};

// 行线：输出模式 | 列线：输入模式（启用内部上拉电阻）
int rowPins[ROWS] = {9, 8, 7, 6};    // 连接行线的引脚
int colPins[COLS] = {5, 4, 3, 2};    // 连接列线的引脚

void setup() {
  for (int i = 0; i < ROWS; i++) {
    pinMode(rowPins[i], OUTPUT);
    digitalWrite(rowPins[i], HIGH);  // 初始化行线为高电平
  }
  for (int j = 0; j < COLS; j++) {
    pinMode(colPins[j], INPUT_PULLUP);  // 列线启用上拉电阻（默认高电平）
  }
}

2. 核心扫描函数

char scanKey() {
  for (int i = 0; i < ROWS; i++) {        // 遍历每一行
    digitalWrite(rowPins[i], LOW);        // 当前行置低电平

    for (int j = 0; j < COLS; j++) {      // 遍历所有列
      if (digitalRead(colPins[j]) == LOW) { // 检测列线是否被拉低
        delay(20);                        // 去抖动延时（约20ms）
        if (digitalRead(colPins[j]) == LOW) {
          while (digitalRead(colPins[j]) == LOW); // 等待按键释放
          return keys[i][j];             // 返回对应按键字符
        }
      }
    }
    digitalWrite(rowPins[i], HIGH);       // 恢复当前行为高电平
  }
  return '\0';  // 无按键按下时返回空字符
}

3. 主循环调用

void loop() {
  char pressedKey = scanKey();
  if (pressedKey != '\0') {
    Serial.println(pressedKey);  // 串口输出按键值
  }
  delay(10);  // 减少CPU占用
}

关键问题解决方案

1. 按键抖动

   • 添加 delay(20) 进行硬件消抖
   • 双重检测确保信号稳定

2. 多键冲突

   • 软件方案：若检测到多列有效，可重新扫描或忽略本次输入
   • 硬件方案：添加二极管防止电流反灌（详见注释）

硬件优化提示：
在大型矩阵或高速扫描系统中，可在每个按键上串联二极管，防止多键同时按下时行/列线短路。

工作流程图

行扫描启动
↓
[当前行置低电平] → 读取所有列线状态
↓
检测到列线低电平？
  → 是 → 消抖确认 → 等待释放 → 返回按键值
  → 否 → 恢复行高电平 → 切换下一行
↓
循环至所有行扫描完毕

通过行列交叉扫描和消抖处理，即可高效检测按键动作。